超濾法濃縮菜籽蛋白提取液的工藝研究

鄒 強(qiáng)，王 燕

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128)

超濾法濃縮菜籽蛋白提取液的工藝研究

鄒 強(qiáng)，王 燕*

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南長沙410128)

以雙低菜籽粕為原料，采用超聲波輔助萃取，得到菜籽蛋白提取液。對提取液進(jìn)行超濾濃縮，探討了操作壓力、溫度、pH、流速等參數(shù)對膜通量的影響。以膜通量為評價指標(biāo)，通過正交實(shí)驗(yàn)，對操作壓力、溫度和pH三個因素進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，菜籽蛋白提取液最佳超濾工藝條件為:操作壓力0.1MPa，溫度40℃，pH9，流速2m/s。采用超濾，可得到毒素含量低，純度在90%以上的菜籽蛋白產(chǎn)品。

菜籽蛋白，正交實(shí)驗(yàn)，超濾

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫皮壓榨雙低菜籽粕 湖南盈成油脂工業(yè)有限公司。

KQ-250DE型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;DD5型大容量多管離心機(jī) 長沙英泰儀器有限公司;EHD20高溫消解儀 北京萊伯泰科儀器有限公司;BCD-203SM型Midea家用冷藏冷凍冰箱 美的集團(tuán)電冰箱制造(合肥)有限公司;凱氏定氮蒸餾裝置;超濾裝置及UEIP503中空纖維超濾膜天津膜天膜工程技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超濾裝置 超濾裝置運(yùn)行過程如圖1所示。

超濾裝置為實(shí)驗(yàn)型，采用內(nèi)壓管式中空纖維超濾膜，該膜材質(zhì)為PES(聚醚砜)，有效膜面積0.3m2，截留分子量10000，pH2～13，纖維內(nèi)外徑0.8/1.2mm，最大操作壓力0.15MPa。

圖1 超濾工藝流程圖

1.2.2 工藝流程 菜籽蛋白萃取條件為 pH10.4、NaCl濃度3.2%、料液比1∶9.5、提取時間2h、提取溫度50℃、提取次數(shù)3，工藝過程如圖2所示。

圖2 菜籽蛋白萃取工藝流程圖

1.2.3 檢測方法

1.2.3.1 營養(yǎng)成分測定方法 水分的測定:GB 5009.3-2010(直接干燥法);粗脂肪的測定:GB/T 14772-2010;粗蛋白的測定:GB 5009.5-2010(凱氏定氮法);灰分的測定:GB 5009.4-2010。

1.2.3.2 有害成分測定方法 硫苷的測定:硫酸根離子沉淀法［19］;惡唑烷硫酮的測定:GB 13089-1991;異硫氰酸酯的測定:GB 13087-1991;植酸的測定:三氯化鐵比色法［20］。

1.2.3.3 膜通量 膜通量是指單位膜面積、單位時間內(nèi)透過的液體體積，用符號Jv表示。實(shí)際測定時，先調(diào)節(jié)好超濾裝置，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后于1min內(nèi)收集透過液并測量體積，然后按下面的公式計算，單位為L/m2·h。

式中，V為透過液體積(L);Sm為超濾膜面積(m2);t為系統(tǒng)穩(wěn)定后超濾時間(h)。

1.2.3.4 菜籽蛋白得率 菜籽蛋白得率(%)=菜籽蛋白質(zhì)量×蛋白純度/(菜籽粕質(zhì)量×蛋白含量) ×100%

1.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，控制流速為2m/s，以膜通量為評價指標(biāo)，通過正交實(shí)驗(yàn)，對操作壓力、溫度和pH三個因素進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)L9(33)。因素水平表見表1。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，確定超濾法濃縮菜籽蛋白提取液最佳工藝條件，數(shù)據(jù)資料采用SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 雙低菜籽粕組成成分

見表2。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 流速對膜通量的影響 在操作壓力為0.1MPa，溫度為40℃，pH為9的條件下，考察不同流速對菜籽蛋白提取液膜通量的影響。流速與膜通量的關(guān)系曲線圖見圖3。

圖3 流速對菜籽蛋白水溶液膜通量的影響

由圖3可知，隨著時間的延長，菜籽蛋白水溶液膜通量隨之降低，并在20min左右趨于穩(wěn)定;當(dāng)流速小于2m/s時，膜通量隨著流速的增大而增大;當(dāng)流速達(dá)到2m/s以后，膜通量變化不再顯著。這是因?yàn)樵谳^低的流速下，逐漸增加流速可提高料液在膜表面形成的剪切力，使得膜表面部分沉積物被流體帶走，減少膜污染，降低濃差極化現(xiàn)象，提高膜通量和菜籽蛋白截留率。在較高的流速下，料液在膜表面形成的剪切力大，使得小分子量蛋白容易透過超濾膜，導(dǎo)致菜籽蛋白得率下降，而且此時流速對膜通量并沒有明顯影響。由此得出，流速選用2m/s為宜。

2.2.2 操作壓力對膜通量的影響 在流速為2m/s，溫度為40℃，pH為9的條件下，考察不同操作壓力對菜籽蛋白提取液膜通量的影響。操作壓力與膜通量的關(guān)系曲線圖見圖4。

圖4 操作壓力對菜籽蛋白水溶液膜通量的影響

由圖4可知，當(dāng)壓力小于0.1MPa，隨著壓力的上升，菜籽蛋白浸提液膜通量隨之增大;當(dāng)壓力達(dá)到0.1MPa以后，膜通量的增加變得十分緩慢。這是由于超濾是以壓力差為推動力進(jìn)行物質(zhì)分離過程。在操作壓力較低時，膜通量隨著壓力的增大而增大，同時溶液中的大分子物質(zhì)不斷向超濾膜表面堆積，形成膜表面與主體溶液之間的濃度差，進(jìn)而產(chǎn)生濃差極化阻力，但由于壓力較低，這種阻力并不能顯著影響膜通量。隨著操作壓力進(jìn)一步加大，濃差極化現(xiàn)象加劇，膜表面與主體溶液之間的濃度差接近飽和，當(dāng)操作壓力達(dá)到某一臨界值時，就在膜表面形成了凝膠層，產(chǎn)生了凝膠層阻力。此后再增加壓力，只會增加凝膠層的厚度，不會提高膜通量。為了保證膜分離效率，縮短工作時間，減少膜污染，降低生產(chǎn)成本，操作壓力選用0.10～0.12MPa為宜。

2.2.3 溫度對膜通量的影響 在操作壓力為0.1MPa，流速為2m/s，pH為9的條件下，考察不同溫度對菜籽蛋白提取液膜通量的影響。溫度與膜通量的關(guān)系曲線圖見圖5。

圖5 溫度對菜籽蛋白水溶液膜通量的影響

由圖5可知，當(dāng)溫度低于40℃時，隨著溫度的提高，膜通量呈明顯上升態(tài)勢;當(dāng)溫度達(dá)到40℃以后，膜通量變化不大。這是因?yàn)樵跍囟容^低的情況下，升高料液溫度可降低溶液粘度，削弱分子之間的相互作用，提高傳質(zhì)速率，而且膜表面吸附物質(zhì)向主體溶液的擴(kuò)散系數(shù)有所增加，減弱了濃差極化現(xiàn)象，從而提高膜通量。但溫度過高，會引起蛋白質(zhì)熱變性，降低蛋白質(zhì)溶解度，使得膜表面蛋白質(zhì)迅速累積，凝膠層厚度急劇加大，降低了膜通量，故溫度選用40～45℃為宜。

2.2.4 pH對膜通量的影響 在操作壓力為0.1MPa，流速為2m/s，溫度為40℃的條件下，考察不同pH對菜籽蛋白提取液膜通量的影響。由于菜籽蛋白等電點(diǎn)區(qū)域?yàn)?～7左右，故從pH為7開始探討pH與膜通量之間的關(guān)系。其關(guān)系曲線圖見圖6。

圖6 pH對菜籽蛋白水溶液膜通量的影響

由圖6可知，當(dāng)pH大于7小于9時，膜通量呈上升趨勢;當(dāng)pH達(dá)到9以后，膜通量變化趨于穩(wěn)定。這是由于在堿性環(huán)境下，菜籽蛋白和水的結(jié)合能力增強(qiáng)，膜表面聚積物質(zhì)向主體溶液擴(kuò)散系數(shù)提高，膜邊界層厚度變薄，因而膜通量增大。但pH太大，會造成菜籽蛋白天然構(gòu)型極端變性，溶解度下降，減小了膜通量，故pH選用9～10為宜。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)

由表3極差R分析可知，B(溫度)是影響菜籽蛋白提取液膜通量的關(guān)鍵因子，其次是A(操作壓力)，在本實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，C(pH)影響不大。

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果

由表4正交實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果可知，操作壓力和溫度對菜籽蛋白浸提液膜通量的影響達(dá)到顯著水平，而pH不顯著。比較F0.05值，可知各因素對膜通量影響程度大小依次為B＞A＞C，這與表3的極差分析十分吻合。比較K值可得到濃縮純化菜籽蛋白水溶液的最佳工藝組合為A2B2C2，即操作壓力為0.1MPa，溫度為40℃，pH為9。在此最佳工藝條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，膜通量平均值為22.0L/m2·h，菜籽蛋白得率為53.4%。

表4 正交實(shí)驗(yàn)的方差分析

2.4 菜籽蛋白理化品質(zhì)

將在超濾最佳工藝條件下處理菜籽蛋白提取液得到的濃縮液進(jìn)行低溫干燥，可獲得淡黃色、無氣味的菜籽蛋白，對菜籽蛋白進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表5所示。由表5可知，采用超濾法濃縮菜籽蛋白提取液，所得產(chǎn)品硫苷、異硫氰酸酯、惡唑硫烷酮均未檢出，植酸大幅度降低，說明該法能夠很好脫除原料中的抗?fàn)I養(yǎng)成分，通過超濾法純化菜籽蛋白，生產(chǎn)食用級菜籽蛋白產(chǎn)品是可行的。

表5 菜籽蛋白組成成分

3 結(jié)論

3.1 與傳統(tǒng)的堿提酸沉法相比，超濾法濃縮菜籽蛋白提取液得到的菜籽蛋白，純度高達(dá)90%，硫苷、異硫氰酸酯、惡唑硫烷酮、植酸、單寧等有害成分明顯降低，達(dá)到國家食品標(biāo)準(zhǔn)，而且功能特性也有一定程度的改善。

3.2 本研究先通過單因素實(shí)驗(yàn)探討流速、操作壓力、溫度、pH等因子對菜籽蛋白提取液膜通量的影響，再采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化超濾工藝參數(shù)。結(jié)果表明，超濾法濃縮菜籽蛋白最佳工藝條件為流速2m/s，操作壓力為0.1MPa，溫度為40℃，pH為9。在此工藝條件下，菜籽蛋白得率為53.4%。

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Study on concentration process of rapeseed protein extracting solution by ultrafiltration

ZOU Qiang，WANG Yan*
(College of Food Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China)

Protein extracting solution from double low rapeseed meal assisted by ultrasonic was prepared. Ultrafiltration was applied to concentrate and purify the rapeseed protein extracting solution.Effect of operating pressure，temperature，pH value and flow velocity on membrane flux was discussed.Using membrane flux as evaluation index，operating pressure，temperature and pH value were optimized by orthogonal experiment.Results showed that the optimal rapeseed protein extraction solution ultrafiltration process parameters were operating pressure 0.1MPa，temperature 40℃，pH value 9 and flow velocity 2m/s.Rapeseed protein products by adopting the technology of ultrafiltration contained little toxin and the purity of protein exceeded 90%.

rapeseed protein;orthogonal experiment;ultrafiltration

TS229

B

1002-0306(2011)11-0260-04

菜籽餅粕是菜籽榨油后主要的副產(chǎn)物，占菜籽重量55%～65%，我國每年產(chǎn)出菜籽餅粕500萬t以上［1］。菜籽餅粕富含蛋白質(zhì)(35%～50%)［2-3］，其氨基酸具有平衡性強(qiáng)、組成合理的特點(diǎn)［4］，符合聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WTO)推薦的模式［5］，是一種理想的優(yōu)質(zhì)植物蛋白資源。與大豆蛋白相比，菜籽蛋白含硫氨酸較高［6］;與谷物蛋白相比，菜籽蛋白賴氨酸較高，只略低于大豆蛋白［7］。菜籽蛋白在真消化率(TD)、生物價(BV)、蛋白質(zhì)有效率(PER)、凈蛋白質(zhì)利用率(NPU)等方面優(yōu)于其它植物源蛋白［8-9］，營養(yǎng)價值甚至可與酪蛋白媲美。此外，菜籽餅粕還含有較多的Ca、P、Fe等礦物質(zhì)元素以及核黃素、硫胺素等B族維生素［10］。但菜籽餅粕中含有硫代葡萄糖苷及其次生代謝產(chǎn)物、植酸、單寧、芥酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子［11-13］，它們降低了菜籽餅粕的營養(yǎng)價值，限制了菜籽餅粕在畜禽飼料和食品工業(yè)中的應(yīng)用，造成了植物蛋白資源的巨大浪費(fèi)。為了確保菜籽蛋白產(chǎn)品的安全性，在提取菜籽蛋白之后應(yīng)進(jìn)行分離純化。目前，對菜籽蛋白的純化研究主要集中在超濾法。超濾法具有操作簡單、條件溫和、能耗低、無相變、效率高等優(yōu)點(diǎn)［14-16］。Siy和Talbot等人［17］以及Tzeng等人［18］的研究發(fā)現(xiàn)，利用超濾法處理菜籽蛋白提取液，不僅能很好地脫除植酸和硫苷等有毒物質(zhì)，還能提高蛋白質(zhì)的得率。本研究旨在對菜籽蛋白提取液進(jìn)行超濾分離，重點(diǎn)探討超濾工藝條件，為食用菜籽蛋白的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

2010-12-03 *通訊聯(lián)系人

鄒強(qiáng)(1984-)，男，在讀碩士，研究方向:食品化學(xué)與營養(yǎng)。